馮哲川教授團隊發表了關于物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transport，PVT）制備AlN晶體的深入研究。本研究巧妙地綜合利用可變角度光譜橢偏儀、拉曼光譜與原子力顯微鏡等表征手段，揭示了c面與m面AlN晶體的本質特性差異。其中，橢偏儀作為核心表征手段，為評估晶體質量提供了關鍵、多維度的量化證據。研究成果以“Temperature-Dependent Raman Scattering and Correlative Investigation of AlN Crystals Prepared Using a Physical Vapor Transport (PVT) Method"為題，發表在《Photonics》雜志上。doi.org/10.3390/photonics11121161

一、成果簡介

氮化鋁因其超寬禁帶等優異特性，是深紫外光電子與高溫高功率器件的理想材料。物理氣相傳輸法是目前制備塊體AlN晶體的主流方法，然而，如何快速、準確、無損地綜合評價晶體質量（如光學帶隙、結構無序度、表面狀態等）仍是研究的關鍵難點。

馮哲川教授團隊利用武漢頤光科技的ME-L可變角穆勒矩陣橢偏儀，對PVT法制備的c面與m面AlN晶體進行了量測，清晰揭示了不同晶面取向晶體的質量差異及其溫度演化規律。其中，武漢頤光科技售后團隊提供了相關的數據建模分析支持。

要點一：橢偏儀精準確定光學帶隙，確認材料本征特性

研究團隊首先利用可變角光譜橢偏儀在193-1650nm光譜范圍及多角度下測量了樣品的橢偏參數（Ψ, Δ），并通過建模擬合，得到的AlN晶體折射率(n)、消光系數(k)。

研究發現，折射率n在197.5nm（6.278ev）處出現拐點，同時消光系數k在此能量處發生陡變。這共同表明AlN的帶隙能量約為6.2ev，與理論值高度吻合，從光學本質特性上證明了所制備晶體材料的高質量。

要點二：診斷Urbach

通過對吸收邊以下的帶尾狀態進行分析，利用公式繪制Tauc圖，外推得到帶隙，如圖1。

圖1 不同氮化鋁晶體的Tauc曲線圖

通過Urbach規則1/Eu=d（lnα）d（hv）計算了Urbach能量Eu，如圖2所示。分析表明所有樣品Eu值均在85.0±0.3meV范圍內。該值是表征晶體結構無序度和缺陷密度的靈敏探針，此結果證明這些PVT-AlN晶體具有較高的結晶質量。它與Tauc圖相輔相成，共同提供了材料光學性質的完整圖像：Tauc圖給出了“理想"帶隙值，而烏爾巴赫圖則揭示了材料在原子尺度的不wan美程度。

圖2 三種AIN晶體的Inα相對于光子能量（ev）的變化關系

要點三：橢偏儀量化表面粗糙度

在橢偏光學建模中，表面粗糙度是一個關鍵的物理參數，擬合結果表明質量優的c面晶體AlNa表面粗糙度：8.07 nm，m面晶體AlNb表面粗糙度：41.1 nm，另一c面晶體AlNc表面粗糙度：6.86 nm。該結果與AFM形貌觀測結果高度一致，充分證明了橢偏儀在快速、無損評估表面形態方面的較強能力，可作為AFM的有效補充甚至替代方案進行初步快速篩查。

本項研究系統性地展示了可變角度光譜橢偏儀在寬禁帶半導體體材料表征中的優秀且不可替代的能力。它已超越傳統的膜厚測量，成為一套較強的“全息"診斷系統，能夠一次性、無損地精準獲取光學帶隙、結構無序度及表面形貌等多維量化信息。

該工作明確證實了PVT法生長的c面AlN晶體在綜合質量上優于m面晶體。將高效的橢偏篩查與深入的拉曼分析相結合，構成了研究和開發高性能半導體材料及其器件的較強方法，將有力推動材料研發從“經驗摸索"走向“精準設計"。

二、頤光可變角穆勒矩陣橢偏儀